Nanopower在智能家居中的应用指南

“便利”是根植于人类本性中的愿望，智能家居技术正在推动家庭自动化领域取得显著进展。多年前，就出现了暖通空调、安全警报、草坪喷淋和家庭娱乐等传统家居系统。然而，只有基于网络的互联控制，才能真正提高便利性。过去，每到夏令时要调整喷淋系统，可能还得翻箱倒柜地找说明书。现在，用手机上的一个应用就能轻松管理一切，而且还能自动完成很多基本设置。

为了让智能家居系统能够感知周围环境，通常需要在房屋各处布置传感器。传统的传感器主要用于检测光线、温度和运动，而更现代的传感器则具备图像识别和其他高度智能化的识别能力。此类传感器不仅可以检测某个房间里有多少人，还能分辨出是友好的猫咪走到门口，还是窃贼正在窗外窥视，伺机盗取财物。

为了节省成本并提高灵活性，此类传感器应能够无线运行。这样，传感器就能轻松部署在现有住宅中，并充分利用合适的安装位置。如今，得益于Wi-Fi或蓝牙®等无线通信，数据通信已不再是一个难题。然而，所有传感器都需要电力。对于大多数应用而言，电力供应仍然是一个挑战。虽然可以使用常见的光伏电池收集能量，但普通电池仍然是首选的供电方式。智能家居系统最大的问题是电池运行时间。为了让简易电池切实可用，并提高光伏电池的成本效益，传感器需要高效的电源。对于任何智能家居系统，待机电流和满负荷运行效率都是至关重要的设计因素。

为分布式传感器供电的一种简单办法是使用原电池，这是一次性、不可充电的电池。这种电池在电路成本、硬件组成和拥有成本（包括更换或充电的成本和耗费的经历）之间取得了良好的平衡。通常，全新原电池提供1.5 V的电压。放完电后，电池电压降至0.8 V以下。不同类型的化学电池在放电过程中会产生不同的电压曲线。但一般来说，一旦电压低于0.8 V，电池就很难再放电，无法继续使用。

许多电子电路的工作电压高于0.8 V。为使电源电压与工作电压更好地匹配，可以串联使用多节电池。然而，与单节电芯相比，多节电芯的成本更高，而且需要更多空间。因此，市面上有非常高效的升压调节器，可以将0.8 V至1.5 V的典型原电芯电压提升到智能家居应用所需的电压，例如3.3 V甚至5 V。图1为采用MAX18000的小型升压转换器电路。

图1. 一种简单但高效的单节电芯升压转换器

此电路很紧凑，仅需少量外部元件。DC-DC转换器IC本身采用1.07 mm × 1.57 mm封装。升压转换器内置两个3.6 A开关。输出电压启动并运行后，静态电流仅为512 nA。峰值效率为95%，低负载效率（负载电流高于20 µA）仍然高于90%。输入工作电压范围为0.5 V至5.5 V，因此能将非常低的电池电压（如0.8 V）提升至有用的更高系统电压。

有些传感器应用采用多节电池或一节锂离子电池运行。这种情况下，所需的电压比上面的例子要略高。满电状态的锂离子电池的典型电压值约为3.7 V。电池放电时，电压最低值约为2.8 V，低于此值就意味着电池电量基本耗尽。对于该电压范围（即2.8 V至3.7 V），为了运行典型传感器电路的常见电子元器件，需要借助降压-升压解决方案来产生标称3.3 V电压。这就是为什么随着锂离子电池的兴起，降压-升压转换器越来越受到重视。

串联使用三节1.5 V原电池时也有类似的需求。它们在满电状态时总共提供4.5 V电压，但在电量几乎耗尽时，这些电池仅提供大约2.4 V电压。要为传感器产生固定的3.3 V电压，同样需要降压升压解决方案。

图2为采用MAX77837的降压-升压解决方案。该解决方案只需要少量外部元件，因此所需的印刷电路板面积非常小。此外，芯片本身的封装尺寸也非常小，仅为1.84 mm × 1.03 mm。传感器制造商如果希望使用间距（引脚之间的距离）更大的封装，可以选用2.5 mm × 2 mm QFN封装。为尽可能延长电池的使用寿命，该解决方案仅需要典型值430 nA的静态电流。关断时，电源转换IC仅消耗10 nA电流。这对于主电池旁边有储能电容的应用可能很有用。DC-DC转换器可以处于关断模式一段时间，然后重新启动并再次对电容充电。长期来看，这种方案可以节省更多电量，并延长电池的运行时间。

图2. 超高效降压-升压转换器，用于产生高于或低于输入电压的电压

设计电池供电的传感器时，必须解决一些有关电源电路的能力和局限性的基本问题。在此阶段进行电路计算和仿真很有意义，不仅可以节省时间，还可以降低使用不合适的集成电路开始硬件设计的风险。为帮助用户快速上手设计，ADI提供免费的 EE-Sim®电源工具。使用此工具时，用户只需键入输入电压、输出电压和电流要求，工具即可立即计算出合适的电路。图3为EE-Sim® Power中的一个电路仿真结果示例。

图3. 使用EE-Sim®电源工具设计和仿真电路

在此电路计算的基础上，工具可以根据实际的外部元器件进行电路仿真，给出不同电压和电流的波形。工具还能执行负载阶跃、交流环路、线路瞬态和效率等高级仿真任务。

理论和仿真很重要，但实际硬件可能有很大不同。除了适用于单个电源转换器的评估板外，ADI还提供完整、实用的传感器系统，以便评估。其中包括烟雾探测系统，这是经过多标准微功率验证的烟雾探测系统模块。其中展示了MAX77837和ADP162如何为一个完整烟雾探测器供电。该烟雾探测器由三个器件组成，包括用于烟雾探测的集成光学模块ADPD188BI；带有烟雾火灾探测算法的MAX32660；以及数字温度传感器MAX31875。点击此处可下载所有相关设计文件，以便开发者轻松打造具备nanopower特性的高品质智能家居传感器。这款经过全面优化和验证的传感器硬件包含必要的软件，展示了电源管理电路的功能。

图4. 经过多标准微功率验证的烟雾探测系统化模块

电源管理对于实现智能家居至关重要。它能确保高效的电源转换，从而延长小型、低成本电池的运行时间。目前，市面上的传感器具备许多特性，例如稳健的连接。为了让电池供电或能量收集供电的系统能够切实应用于各种传感器，降压、升压和降压-升压转换器的静态电流必须非常低。半导体工艺和集成电路设计的创新成果有助于满足这一要求。而这仅仅是开始，未来随着电源管理技术的进步，互联家居领域将迎来众多创新，催生更加智能的传感器。